автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение надежности фрезерования сталей за счет диагностирования состояния инструмента по силовым диагностическим признакам

На правах рукописи

Гурин Владимир Дмитриевич

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ФРЕЗЕРОВАНИЯ СТАЛЕЙ ЗА СЧЕТ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ИНСТРУМЕНТА ПО СИЛОВЫМ ДИАГНОСТИЧЕСКИМ ПРИЗНАКАМ

Специальность: 05.03.01 Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2004

Работа выполнена на кафедре «Высокоэффективные технологии обработки» (ВТО) Государственного образовательного учреждения Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Григорьев Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гречишников Владимир Андреевич

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Горелов Валерий Александрович

Ведущее предприятие: ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ»

Защита диссертации состоится «29» июня 2004 г. в . на заседании диссертационного совета К 212.142.02 в Государственном образовательном учреждении Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» по адресу: 127055, г. Москва, Вадковский пер., ЗА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ МГТУ «СТАНКИН».

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направить по указанному адресу.

Автореферат разослан «28» мая 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета

У

Ю.П. Поляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Отечественный опыт и опыт зарубежных стран, эксплуатирующих гибкие производственные системы, показывает, что эта прогрессивная техника дает заметный экономический эффект при непрерывной круглогодичной эксплуатации, т.е. простои из-за нарушения работоспособного состояния должны быть сведены к минимуму. Это возможно лишь при обеспечении высокой надежности работы всех компонентов автоматизированных и автоматических технологических систем.

Фрезерование является одним из распространенных видов мехобработки. Доля его особенно велика при обработке корпусных изделий и все больше увеличивается вследствие замены растачивания планетарным фрезерованием. Несвоевременное обнаружение отказа режущего инструмента имеет самые различные последствия — от брака изделия до поломки отдельных деталей и узлов технологического оборудования, что снижает эффективность производства.

Обеспечение высокой надежности процесса обработки возможно путем диагностирования состояния режущего инструмента по косвенному диагностическому признаку.

Разработка принципов диагностирования состояния концевых быстрорежущих фрез при обработке конструкционных углеродистых материалов является актуальной задачей, стоящей перед теорией резания. Решение этой задачи может быть осуществлено посредством установления и описания причинно-следственных связей параметров и факторов процесса, прямых и косвенных диагностических признаков.

Цель работы

Повышение надежности концевых быстрорежущих фрез при обработке конструкционных углеродистых сталей за счет диагностирования состояния инструмента по силовым диагностическим признакам. ______

Научная новизна работы состоит в:

- в значениях термических напряжений в режущем клине инструмента, возникающих во время рабочего и холостого ходов при фрезеровании сталей;

- математических зависимостях, учитывающих влияние износа инструмента и режимов резания на составляющие силы резания при фрезеровании.

Практическая ценность работы заключается в:

- в рекомендациях по выбору диагностических признаков в зависимости от режимов и схем фрезерования, позволяющих повысить надежность фрезерования сталей.

Апробация работы

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» МГТУ «СТАНКИН», на Международных научно-технических конференциях «Качество машин-2001» в Брянске, «ПРОТЭК -2002» в Москве, а также были удостоены серебряной медали третьего Московского Международного салона инноваций и инвестиций.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка использованной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, дается ее общая характеристика, формулируется научная и практическая значимость.

В первой главе приведен анализ работ различных авторов, занимавшихся проблемами обеспечения надежности процесса резания, представлен обзор на-

учно-технической информации, посвященной диагностированию состояния режущего инструмента, обоснован принцип выбора косвенных диагностических признаков, формируется цель и задачи работы.

Диагностические признаки выбирались по относительному приросту параметров процесса резания, выраженных в простых процентах:

где - значение параметра при предельном критерии отказа, например

износе ;

= 0)- значение параметра при нулевом значении износа. На основании анализа научно-технической информации, формулируется цель исследований, для достижения которой необходимо решить следующие задачи:

- выявить критерий отказа при обработке конструкционных углеродистых сталей концевыми быстрорежущими фрезами на различных схемах обработки;

- выявить косвенные диагностические признаки возможных изменений в состоянии инструмента;

- описать взаимосвязь между факторами процесса, критериями отказа и диагностическими признаками;

- разработать методику для априорного выбора косвенного диагностического признака.

Во второй главе исследуется наростообразование при прерывистом резании, а также интенсивность изнашивания рабочих поверхностей инструмента при прерывистой работе на различных схемах обработки с целью выявления критериев отказа концевых быстрорежущих фрез при обработке конструкционных углеродистых сталей.

Исследования наростообразования, проведенные на специально разработанном устройстве (авторское свидетельство СССР № 1414526) в условиях максимально приближенных к реальному процессу фрезерования концевыми

фрезами, подтвердили представление о наросте, как о заторможенной вследствие трения на передней поверхности зоне, образованной из стружки. Заторможенная зона начинает формироваться с началом процесса резания, как при встречном, так и при попутном фрезеровании.

Исследования показали, что при резании с переменной толщиной срезаемого слоя в обоих случаях после начала рабочего хода начинается переходный процесс, в течение которого зарождается и развивается нарост.

Действительное изменение размеров нароста по длине рабочего хода отличается от полученных в опытах при непрерывном резании. Как следует из графиков, показанных на рисунке 1 а,б, при фрезеровании с переменной толщиной среза высота нароста изменяется по длине активной части главной режущей кромки. При резании с уменьшающейся толщиной среза высота нароста, достигнув после переходного периода максимального значения, остается примерно постоянной в течение оставшейся части рабочего хода. При резании с увеличивающейся толщиной среза высота нароста постепенно увеличивается до максимального значения в конце хода, что объясняется более длительным переходным периодом. Увеличение высоты нароста от толщины срезаемого слоя приводит к увеличению реального переднего угла , что способствует более равномерному силовому нагружению зуба фрезы по длине контактирующей главной режущей кромки особенно в моменты врезания и выхода зуба фрезы.

Рис. 1. Схема изменения высоты нароста И по длине активной части главной режущей кромки за один рабочий ход фрезы из быстрорежущей стали Р6М5 при встречном (а) и попутном

(б) фрезеровании.

Основные исследования по интенсивности изнашивания при прерывистом резании, с целью выявления критерия отказа, проводились при обработке стали 35 с НВ=150 на вариантах торцевого и несвободного цилиндрического фрезерования, а также при обработке пазов. По стали 60 с НВ=207 проводились фрагментальные исследования, подтверждающие характер и интенсивность развития изнашивания инструмента, полученные при обработке стали 35.

При обработке конструкционных углеродистых сталей схема фрезерования влияет на интенсивность изнашивания рабочих поверхностей. При попутной схеме фрезерования среднее время до отказа практически в 2 раза больше, чем при встречной, что можно объяснить защитной ролью нароста, хотя он не предохраняет от контакта с обрабатываемым материалом главную заднюю поверхность. При встречном фрезеровании, особенно при обработке с малыми подачами на зуб, задняя поверхность подвергается более интенсивному трению по сравнению с попутной схемой. Также при встречной схеме фрезерования, вследствие отрыва оставшейся стружки, удаляется и нарост, отрывая при этом микрочастицы инструментальной стали. Таким образом, наблюдается хрупкое разрушение режущей кромки. На ней появляются микросколы, отрицательная фаска, что способствует интенсивному изнашиванию.

При попутной схеме фрезерования нарост имеет меньшее сцепление с передней поверхностью, более округлую форму и при контакте с обрабатываемым материалом сдвигается по передней поверхности и остается на внешней стороне стружки.

Исследования показали, что при обработке конструкционных углеродистых сталей концевыми быстрорежущими фрезами вне зависимости от схемы и вида обработки передняя поверхность режущего зуба фрезы изнашивается незначительно, доминирующий очаг износа развивается на главной задней поверхности, постоянно увеличиваясь от времени работы инструмента. Износ по главной задней поверхности определяет состояние данного вида инструмента при различных вариантах его использования и должен быть принят в качестве критерия отказа.

В третьей главе исследуется температура в режущем клине инструмента.

Для настоящих исследований был разработан метод полуискусственной защемленной микротермопары.

Для закладки полуискусственных микротермопар применяли составные пластинки из быстрорежущей стали, разделенные главной секущей плоскостью на две части, которые перед заточкой плотно (без зазора) сжимались шпильками, исключающими возможность относительного их смещения. Сочленяющиеся поверхности каждой части пластинки тщательно притирали до достижения шероховатости Ra не более 0,04 мкм. Положение плоскости раздела соответствует положению «опасного сечения», где развиваются максимальные температуры. К заданной точке опасного сечения по канавке в одной из частей составного резца подводилась, изолированная слюдяными прокладками константано-вая проволока диаметром 0,1 мм. Неизолированный расплющенный конец проволоки толщиной менее 10 мкм сжимали между двумя притертыми поверхностями частей составной пластинки. Площадку контакта проволоки с резцом (горячий спай термопары) доводили до размеров 0,15 х 0,15 мм2. Опыты показали, что увеличение размеров горячего спая до полутора раз практически не изменяло точности измерения температур. Положение средней точки горячего спая относительно рабочих поверхностей резца изменяли как закладкой термопары, так и переточкой пластинки.

Начало рабочего хода (врезание резца в металл) фиксировалось на осциллограмме с помощью отметчика времени, который получал сигнал от специального встроенного в станок фотоэлемента. Это дало возможность отнести полученную в каждой точке режущего клина температуру к определенному моменту работы инструмента и выявить динамику развития температурного поля во времени.

Удалось установить время запаздывания начала нагревания точек режущего клина относительно начала рабочего хода. Запаздывание, представляющее собой время движения потока теплоты от источника, растет по мере удаления от него рассматриваемой точки. Полученные кривые (рис. 2) изменения темпе-

ратуры во времени, построенные по средним значениям осциллограмм, показывают, что в точке, расположенной ближе остальных к источнику тепла, практически с начала рабочего хода начинается быстрый, со скоростью, достигающей 20000 °С/с рост температуры, а уже через 0,075 с температура в этой точке приближается к своему предельному значению. По мере удаления точек от источника тепла скорость их нагревания уменьшается, а начало нагревания отстает от начала рабочего хода. Различные скорости роста температуры точек, находящихся на разном расстоянии от передней поверхности, а также запаздывание нагревания приводят к тому, что в первые моменты рабочего хода в контактной зоне режущего клина создается высокий температурный градиент, значительно больший, чем при непрерывной работе инструмента.

Рис. 2. Изменение температуры во времени Т (нагревания во время рабочего хода и охлаждения во время холостого хода) для точек режущего клина с координатами х, у.

На рисунке 3 показаны кривые распределения температуры для тех же точек и соответствующие им кривые изменения температурного градиента. Как видно, высокий в начале рабочего хода температурный градиент постепенно распространяется на удаленные от передней поверхности точки и в месте с тем снижается, приближаясь к уровню температурного градиента, соответствующему непрерывной работе резца.

Рис. 3. Графики изменения температуры (а), температурного градиента (б) и термических напряжений (в) в различные от начала рабочего хода моменты времени Т по мере удаления х от передней поверхности для точек, равноудаленных (у=0,15 мм) от задней поверхности режущего клина.

Кривые охлаждения тех же точек режущего клина (рис. 2) показывают, что начало холостого хода характеризуется почти одновременным охлаждением всей контактной зоны режущего клина. И хотя скорость охлаждения более нагретых точек выше (так, для точки с координатами х=0,07 мм, у=0,15 мм - кривая 1, она достигает 10000 °С/с) тем не менее температурный градиент во всей контактной зоне режущего клина остается направленным к передней поверхности, постепенно снижаясь с самого начала холостого хода. Это происходит потому, что контактная зона охлаждается в основном за счет теплоотдачи в режущий клин инструмента.

Таким образом, можно считать установленным, что в течение всего цикла рабочего и холостого ходов вектор температурного градиента в контактной зоне остается направленным в сторону передней поверхности режущего клина. Отсюда следует, что в поверхностных слоях режущего клина сохраняются термические напряжения сжатия. В подповерхностных же слоях напряжения сжатия переходят в напряжения растяжения, и граница между теми и другими напряжениями перемещается вглубь по мере прогрева режущего клина. Очевидно, что максимальных значений растягивающие напряжения достигают в начале рабочего хода. И хотя при эксплуатации инструмента из быстрорежущих сталей редко наблюдается трещинообразование, тем не менее, термические на-

пряжения могут оказать влияние на изменение структуры и свойств быстрорежущей стали в процессе прерывистой работы инструмента.

Выявленная особенность изменения температурного градиента и развития термических напряжений должна быть справедлива и при прерывистой работе твердосплавного инструмента. Распространенное представление о причинах образования трещин в твердосплавном инструменте, вызванное охлаждением в начале холостого хода, не подтверждается настоящими исследованиями.

Метод полуискусственной микротермопары позволяет изучить температурное состояние режущего инструмента с достаточной точностью и качеством, однако для контроля состояния реального режущего инструмента он непригоден по техническим причинам.

Наиболее вероятным методом контроля температуры может быть метод естественной термопары.

Были проведены опыты по сравнению температур полученных методом естественной термопары и методом полуискусственной защемленной микротермопары.

Эксперименты показали, что температура, измеренная методом «естественной термопары» приближается к температуре, измеренной методом полуискусственной защемленной микротермопары тем больше, чем меньше толщина срезаемого слоя.

Исследования по возможности применения температурного параметра в качестве косвенного диагностического признака проводились по ЭДС резании.

Анализ экспериментальных данных показывает, что за полный угол контакта у/^ зуба фрезы с обрабатываемым материалом, износ ^ влияет на ЭДС резания. Относительный прирост параметров , рассчитанный по максимальным значениям ЭДС, составляет в обоих случаях около 40%. Исследования также показали, что он не зависит от факторов процесса и схемы фрезерования.

В четвертой главе предлагается новая методика измерения и расчета составляющих силы резания при фрезеровании концевыми фрезами.

Измерение составляющих ^ и производили с помощью УДМ-600. Вектора сил Р„ и Р„ соответствуют силам ^ и если УДМ используется для измерения силовых параметров при точении. Осевая сила не участвует в функциональной взаимосвязи рассматриваемых сил, поэтому методика расчета касается только составляющих силы резания при фрезеровании, находящихся в плоскости перпендикулярной к оси режущего инструмента.

Рассматриваемые силовые параметры представляют векторы сил, принадлежащие двум системам координат с общим центром, как показано на рис. 4. Вектор и взяты действующими на зуб фрезы.

а) б)

Рис. 4. Схема составляющих силы резания, действующих на зуб фрезы при встречном (а) и

попутном (б) фрезеровании.

Из геометрических построений для случая встречного фрезерования следует, что:

Угол образуется результирующим вектором и вектором

окружной силы где - угол поворота точки приложения резуль-

тирующего вектора . Он совпадает с углом поворота системы координат х',^ в системе х,у. Угол Г) находится, как аг^ измеряемых векторов ,РУ и

Знак при агс^-^- определяется направлением вектора Его значение

показано на рис. 4 а. Подставив выражение значений вектора Д„у, угла /I в формулы (2), (3) получаем:

Р-. = • «>(4> ^ = (б)

Для случая попутного фрезерования: р, = • со(б> Р, = • (7)

Знак при определяется направлением вектора . Его значение

показано на рис. 4 б.

Неизвестной величиной в формулах 4, 5, 6, 7 является угол £ - угол поворота точки приложения результирующего вектора Д„у. Он функционально связан с мгновенным углом поворота зуба фрезы . Если угол наклона главной режущей кромки , то . Если , то

Функциональная связь между мгновенным углом поворота зуба фрезы ^ и углом поворота точки приложения результирующего вектора находится

на основании выдвинутой гипотезы, что точка приложения результирующего вектора расположена на середине активной части главной режущей кромки. Считаем, что трение по торцу зуба в случае несвободного фрезерования незначительное. Исходя из этих предпосылок, находится функциональная связь между рассматриваемыми углами.

Функция для вариантов определяется следую-

щим образом. На рис. 5 (а, б) показаны фазы движения зуба фрезы в рабочий период на примере цилиндрического фрезерования: (а); (б).

Рассмотрим первый случай: {¡/¡'¿.у/д, а> > 0 . Фазы движения зуба фрезы - рис. 5 а: I - исходное положение; II - поворот на угол у/в после реализации фактора В; III - поворот на угол \jft после реализации фактора t; IV - поворот на угол Фь, конечное положение.

Рис. 5. Фазы движения зуба фрезы в рабочий период. Из схемы движения точки О следует:

Рассмотрим второй случай: 4/,<у/в'; <У>0. Фазы движения зуба фрезы рис. 5 б: I - исходное положение; II - поворот на угол цт^ после реализации фактора В; III - поворот на угол у/( после реализации фактора ?; IV - поворот на угол , конечное положение. Из схемы движения точки О следует:

Если т. О находится на середине активной части главной режущей кромки и <а > 0, функция = /(у/) справедлива для рассматриваемых вариантов при условии, что

Если Лфр <t, то угол поворота зуба фрезы у/( необходимо находить по формуле

Значение y/t входит в ограничивающие условия, поэтому функциональные

зависимости для расчетов те же, что при условии

Условие .Кфр < t позволяет рассчитывать векторы сил при обработке пазов

концевыми фрезами.

Классификация на попутное и встречное фрезерование по направлению векторов скоростей главного и вспомогательного движений подразумевает, что

А

фактор ? равен или меньше радиуса фрезы: /< ——, где А,,,-диаметр фрезы.

фр-

д

Вариант, когда t > относим к смешанной схеме фрезерования, где частным случаем, будет обработка пазов.

На рис. 6 а,б,в,г дана графическая интерпретация функциональных связей мгновенных углов поворота зуба фрезы и точки приложения результирующего вектора силы ^ для показательных сочетаний факторов и схем фрезерования. График ¿¡I = /(у;) на рис. 6 а представлен для встречного фрезерования, а на рис. 6 б для попутного при .Кфр . Отличительной чертой функциональных связей при попутном фрезеровании является тот факт, что при вращении зуба фрезы после поворота на угол точка приложения результирующего вектора не вращается, а перемещается вверх, поэтому проекция ее траектории движения на горизонтальную плоскость расположения векторов равна нулю до поворота зуба фрезы на угол . График на рис 6в показывает функции при

смешанной схеме <

фрезерования, когда и , т.е. угол на-

чинает изменяться при переходе от встречной схемы к попутной. График на

рис. 6г представлен для смешанной схемы фрезерования, когда £>фр = /, т.е. для случая обработки пазов.

Рис. 6. Графическая интерпретация функциональных связей мгновенных углов поворота зуба фрезы и точки приложения результирующего вектора силы ¿¡/.

Проверка разработанной методики расчета векторов сил и ^ по измеренным Еу и /*■„ проводилась путем одновременного измерения составляющих силы резания и и сравнения измеренной и рассчитанной силы

Сила Рг измерялась с помощью специально сконструированной и изготовленной динамометрической головки с закрепленной в ней фрезой, которая базировалась в шпинделе вертикально-фрезерного станка.

Результаты измерения и расчеты представлены графиками мгновенных значений составляющих силы резания при фрезеровании на рис. 7 а,б,в,г.

Экспериментальные данные показывают, что разброс показаний силы Рт, измеренной динамометрической головкой относительно той же силы, но рассчитанной по измеренным силовым параметрам и не превышает ± 7%. Таким образом, разработанная методика расчета векторов сил и ру с

достаточной точностью и объективностью позволяет исследовать составляющие силы резания при фрезеровании конструкционных углеродистых сталей.

О — Рн", • — Иу; ■ - Иу; О — Гг; х — Иг, измеренная динамометрической головкой. Рис. 7. Графики мгновенных значений составляющих силы резания при фрезеровании.

Пятая глава посвящена графическому моделированию силовых параметров, действующих на зуб фрезы.

Разработано математическое обеспечение для графического моделирования.

При разработке математических моделей использовалась методика исследования силовых параметров, представленных в главе 4. За основу моделей были приняты двучленные зависимости вида:

Сила Fx не рассматривается, так как предварительные исследования показали, что она очень мала по сравнению с остальными силами и не представляет интереса с точки зрения диагностирования состояния режущего инструмента.

В результате экспериментов и расчетов были построены следующие модели.

Для встречного фрезерования: Ft = 130-а|'тЯ®'" +8.а{°-0,.АГ (10); Fy l-US-af*-В™

Для попутного фрезерования: F, =138-ау-ву" +8-аа/ (12); F, = 76• a¡>" • В0;9' +115-af" ■ В°¥" ■ h°,M(Щ

где - значение фактора В при повороте фрезы на угол

а^ - номинальное значение срезаемого слоя при повороте точки нахождения результирующего вектора силы на угол , которое находится по формуле а^ = Sz-SÍn£í (мм), где S¡- подача на зуб.

Для смешанной схемы фрезерования принимаем модели встречного фрезерования.

Мгновенные значения а^ и BVt определяются соответственно углам поворота и

Составляющие силы резания ^и ./^являются основополагающими силовыми параметрами, поскольку проекции их векторов на квазинеподвижную систему координат (рис. 8), определяют величину и направление векторов Fv и . Математические модели функциональных зависимостей векторов сил находятся из анализа систем векторов сил, представленных на рис. 8. Для встречной схемы фрезерования (рис. 8 а):

Для попутной схемы фрезерования (рис. 8 б): Для смешанной схемы фрезерования:

Рис. 8. Схема векторов сил, действующих на зуб фрезы при встречном (а) и попутном (б)

фрезеровании.

Анализ полученных моделей показывает, что их решение позволяет определять не только значение составляющих силы резания ^ и , но и их направление в каждый момент рабочего хода зуба фрезы. Так при встречном фрезеровании сила ря не меняет свой знак в течение рабочего хода, а ^ может изменить направление своего действия и достигает в конце рабочего хода при t = R значений силы рг. При попутном фрезеровании сила ^ может являться переменной по направлению своего действия в течение контакта зуба фрезы с обрабатываемым материалом и уменьшается до нуля после окончания рабочего хода, при обработке пазов и направлены, соответственно, реализуемой схеме на текущий момент рабочего хода зуба фрезы.

Если в работе одновременно участвует не один зуб фрезы, то выбор диагностического силового параметра становится возможным на основе графического моделирования по разработанной методике и дальнейшего нахождения суммарных векторов по соответствующим правилам их сложения.

Следует отметить, что разработанная методика графического моделирования позволяет не только априорно выбирать косвенные диагностические признаки по силовым параметрам, но и может быть использована при проектировании концевых фрез, определении факторов, обеспечивающих максимально возможную равномерность, точность фрезерования и т.д.

На рис. 9,10,11 представлены графические модели силовых параметров при различных сочетаниях факторов процесса на встречной и смешанной схемах фрезерования. Анализ графических моделей силовых параметров показывает, что относительный прирост составляющих силы резания и может достигать от 70 до 180%. При попутной схеме фрезерования косвенными диагностическими признаками могут являться Ру и ^. Окружная сила Рг обладает наименьшим относительным приростом и не может быть использована в качестве косвенного диагностического признака состояния концевых фрез.

?г Ру

Рис. 9. Графические модели силовых параметров процесса фрезерования.

Общие выводы

1. На основе стойкостных испытаний концевых быстрорежущих фрез при обработке конструкционных углеродистых сталей установлено, что смена инструмента по фактическому отказу, которая обеспечивается применением систем диагностики, повышает среднюю наработку до отказа не менее 30% по сравнению с предупредительной сменой инструмента.

2. Результаты исследования наростообразования на различных схемах фрезерования позволяют сделать вывод о том, что результирующий вектор силы резания приложен к середине активной части главной режущей кромки.

3. Исследования влияния изнашивания концевых быстрорежущих фрез на температуру методом «естественной термопары», показывают, что относительный прирост данного параметра колеблется в пределах 40% и может быть использован в качестве диагностического признака состояния инструмента.

4. Разработанный подход к изучению силовых параметров при фрезеровании, позволяет получить зависимости составляющих силы резания от износа инструмента.

5. Разработанная программа моделирования силовых параметров, обеспечивает выбор наиболее информативного диагностического признака в зависимости от условий эксплуатации инструмента.

6. В зависимости от сочетания факторов и схем фрезерования, а также достижения предельного значения критерия отказа, силовые параметры , и

приобретают относительный прирост от 70% до 180%, что обеспечивает возможность их использования в качестве диагностических признаков.

7. Установленная высокая информативность силовых диагностических признаков, позволяет обеспечить надежную работу системы диагностики состояния инструмента при фрезеровании.

Основные положения диссертации изложены, в следующих публикациях:

1. Синопальников В.А, Гурин В.Д. Распределение температур в зоне режущего клина инструмента из быстрорежущей стали. - Вестник машиностроения, 1977, № 1.

2. Синопальников В.А, Гурин В Д. Анализ температур режущего инструмента, измеренных различными методами. - МДНТП им. Дзержинского. 1977г.

3. Синопальников В.А, Гурин ВД Температурное поле в режущем клине инструмента при прерывистой работе. Вестник машиностроения, 1980, № 4.

4. Синопальников ВА, Гурин В.Д. Тепловые условия прерывистой работы быстрорежущего инструмента. - В кн. Всесоюзная научно-исследовательская конференция. Современные пути повышения производительности и точности металлообрабатывающего оборудования и автоматизация технологических процессов в машиностроении. Москва, 1980 г.

5. Синопальников В.А, Гурин ВД Тепловые условия работы быстрорежущего инструмента с покрытием из нитрида титана. - Станки и инструмент, 1983, №1.

6. Васильев СВ., Синопальников В.А., Гурин В.Д. и др. Сравнение методов измерения температуры резания при использовании быстрорежущего инструмента. - Известия ВУЗов, Машиностроение, 1983, № 6.

7. Авторское свидетельство № 1414526. Устройство для исследования процесса резания.

8. Гурин В.Д. Силовые диагностические признаки состояния концевых быстрорежущих фрез. - Проблемы интеграции, образования и науки. Москва, 1990г.

9. Гурин В.Д., Синопальников В.А. Диагностирование концевых фрез по силовым параметрам // Качество машин: Сборник трудов IV межд. научно-технической конференции, Т.2. Брянск: БГТУ, 2001. -С. 120-121.

10. Гурин В Д., Синопальников В. А. Методика расчета силовых параметров для диагностирования концевых фрез // ПРОТЭК - 2001: Труды межд. на-учно-практ. конф., Т.З. Москва: МГТУ «СТАНКИН», 2001. -С. 741-743.

11. Григорьев С.Н., Синопальников В.А., Гурин В.Д., Андреев А.Г. и др. Базовый комплекс средств измерений и контроля размеров деталей машиностроения для автоматизированных производств. Отчет по Гос. контракту (per. № ВНТИЦ 01.2.00100988). Москва: МГТУ «СТАНКИН», 2001.92 С.

12. Гурин В.Д., Геранюшкин А.В., Мышанский А.Е. Создание системы автоматизированного контроля состояния процесса резания и инструмента // ПРОТЭК - 2002: Труды межд. научно-практ. конф., Т. 1. Москва: МГТУ «СТАНКИН», 2002. -С. 192-194.

13. Алешин СВ., Гурин ВД. и др. Диагностика состояния концевых фрез при обработке резанием титановых сплавов // ПРОТЭК - 2003: Труды межд. на-учно-практ. конф., Т.З. Москва: МГТУ «СТАНКИН», 2003. -С. 403-407.

14. Алешин СВ., Гурин В.Д., Геранюшкин А.В. Комплекс научных исследований обработки резанием // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments. Сборник трудов конференции. Москва: РУДН, 2003. -С 170.

15. Григорьев С.Н., Гурин В.Д. и др. Техническая диагностика как способ повышения надежности режущего инструмента с износостойкими покрытиями // Технологии и оборудование для нанесения износостойких покрытий: Материалы Всероссийск. научно-практ. конф. Москва: РХТУ, 2004. - С 52-53.

16. Григорьев С.Н., Гурин В.Д. и др. Проведение исследований в области обработки материалов резанием с применением средств технической диагностики // Сборник трудов ГУ Всероссийск. научно-практ. конф. "Информационные технологии в науке и образовании". Бийск: Изд-во БТИ, 2004. - с. 170-176.

17. Григорьев С.Н., Гурин В.Д., Геранюшкин А.В. Диагностирование состояния концевых фрез в процессе резания // Сборник трудов межд. научно-практической конференции "Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии в машиностроении". Минск: Изд-во БНТУ, 2004. - с. 215-219.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Гурин Владимир Дмитриевич

Повышение надежности фрезерования сталей за счет диагностирования состояния инструмента по силовым диагностическим признакам

Лицензия на издательскую деятельность ЛР №01741 от 11.05.2000 Подписано в печать 27.05.2004. Формат 60x90716 Уч.изд. л. 1,5. Тираж 50 экз. Заказ № 123

Отпечатано в Издательском Центре МГТУ «СТАНКИН» 103055, Москва, Вадковский пер., д.3а

4 ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Обеспечение надежности процесса резания на станках с ЧПУ.

1.2. Цель и задачи диссертационной работы.

2. АНАЛИЗ РАЗРУШЕНИЯ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КОНЦЕВЫХ БЫСТРОРЕЖУЩИХ ФРЕЗ.

2.1. Исследование наростообразования при прерывистом резании.

2.2. Особенности изнашивания быстрорежущих концевых фрез на различных схемах фрезерования и количественные показатели их надежности.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В РЕЖУЩЕМ ИНСТРУМЕНТЕ.

3.1. Методика исследования температуры при прерывистом резании. 3.2. Результаты исследований температуры в.режущем клине инструмента.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ.

4.1 Методика измерения составляющих FV,FH,FZ.

4.2 Разработка методики расчета мгновенных значений составляющих

Fz и Fy по измеренным составляющим Fv и FH.

5. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ГРАФИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ЗУБ ФРЕЗЫ.

5.1. Построение математических моделей, описывающих влияние факторов процесса фрезерования на составляющие силы резания Fz и Fy.

5.2. Построение математических зависимостей функциональной связи составляющих Fz и Fy с составляющими Fy и FH.

ОБЩИЕ ВЫ ВОДЫ.

Современное машиностроительное производство все в большей и большей степени основывается на применении станков с ЧПУ, которые эксплуатируются как автономно, так и в составе ГПС.

Применение таких технологических систем в совокупности с прогрессивным режущим инструментом позволяет повысить эффективность производства за счет уменьшения вспомогательного и машинного времени при обеспечении заданного качества изготавливаемых изделий. Гибкость и быстропереналаживаемость технологической системы способствует модернизации выпускаемой продукции, что определяет выживаемость производителя в условиях острой конкуренции.

Это определяет основные пути развития технологического оборудования. Любую современную технологическую систему можно разделить на две системы: физическую и информативную. В физической системе происходит физический процесс, т.е. процесс преобразования материи и энергии. Управляемая физическая система взаимодействует с информативной управляющей системой, в которой происходит преобразование информации.

Физическая часть технологических систем по механической обработке совершенствуется путем механизации с тенденцией концентрации на одном рабочем месте видов обработки материалов резанием. Металлорежущие станки оснащаются высокооборотными шпинделями, высокоскоростными устройствами линейных перемещений по 5-8 координатам, что позволяет осуществлять простые и сложные траектории движения режущего инструмента. Работа таких высокомеханизированных систем в автоматическом и автоматизированном режиме стала возможной благодаря разработке и внедрению мощных и быстродействующих управляющих информативных систем.

Отечественный опыт и опыт зарубежных стран, эксплуатирующих гибкие производственные системы, показывает, что эта прогрессивная техника дает заметный экономический эффект при непрерывной круглогодичной эксплуатации [1] , т.е. простои из-за нарушения работоспособного состояния должны быть сведены к минимуму. Это возможно при обеспечении высокой надежности работы всех компонентов автоматизированных и автоматических технологических систем.

Данные, представленные в работе [2] , показывают, что при работе станков с ЧПУ оператор в среднем через каждые 6-22 мин вмешивается в работу станка по управляющей программе для устранения возникающих отказов с целью поддержания текущей работоспособности. Устраняемые оператором отказы режущего инструмента составляют от 23% до 63% . Исследования, проведенные службой Takeyama [3] в Японии, говорят о том, что время Простоя оборудования с ЧПУ из-за отказов, определяемых незапланированным износом и поломкой режущего инструмента при различных видах обработки, составляют от 39% до 50% . Простои же, обусловленные отказом оборудования, находятся в пределах всего 4-^6%. Следовательно, наиболее слабым звеном по надежности в автоматизированных технологических системах является режущий инструмент.

Анализ структуры отказов режущей части инструментов [4] показывает, что при обработке конструкционных углеродистых сталей твердым сплавом при точении доля отказов из-за изнашивания рабочих поверхностей составляет 7(Н80 %, скалывания - 10-К30 % , выкрашивания - 1-5-7 % . При фрезеровании доля отказов из-за скалывания и выкрашивания увеличивается до 75 %. У инструмента из быстрорежущих сталей отказы вследствие поломки значительно ниже и находятся в пределах 1+-2 %, что объясняется более высоким пределом прочности на растяжение и изгиб и меньшей твердостью. Однако доля отказов из-за поломки может возрастать при превышении допустимых значений текущего износа рабочих по верхностей. Это особенно касается быстрорежущих концевых фрез, по причине особенностей их конструкции, которые ослабляют прочность зубьев фрезы.

Фрезерование является одним из распространенных видов мехобработ-ки. Доля его особенно велика при обработке корпусных изделий и все больше увеличивается от замены растачивания на планетарное фрезерование. Процесс фрезерования концевыми фрезами является наиболее сложным процессом, так как происходит при переменных факторах в каждый момент времени рабочего хода фрезы. Следует также отметить, что пропуск отказа фрез из быстрорежущих сталей при обработке конструкционных углеродистых сталей может привести к катастрофическому износу, что сопровождается размазыванием рекристаллизованного инструментального материала по поверхности резания с последующим упрочнением при остывании. Твердость поверхностного слоя сопоставима с твердостью быстрорежущей стали. Деталь или бракуется, или проводится съем упрочненного материала заготовки инструментом с более твердой режущей частью, что требует дополнительного времени и режущего инструмента.

Несвоевременное обнаружение отказа режущего инструмента имеет самые различные последствия: от брака в изделии до поломки отдельных деталей и узлов технологического оборудования, что снижает эффективность производства.

Если произошел отказ режущего инструмента, то вне зависимости от причин отказа процесс резания прекращается, т.е. следствием отказа режущего инструмента является отказ процесса резания.

Таким образом, обеспечение высокой надежности процесса фрезерования концевыми быстрорежущими фрезами в условиях автоматизированного и автоматического производства является актуальной проблемой.

Одним из путей решения этой проблемы является создание и внедрение в технологическое оборудование систем контроля процесса резания и диагностирования состояния режущего инструмента.

Отказ режущего инструмента всегда происходит в процессе резания. Прекращение процесса резания ведет к недообработке детали. Деталь должна быть забракована или дообработана путем замены инструмента и подналадки станка, что требует вмешательства оператора.

Под контролем процесса резания, в данном случае, понимается управление резанием при его реализации, т.е. после распознавания отказа информативная система принимает и реализует решение изменить факторы процесса, таким образом, восстанавливая работоспособное состояние инструмента. Исключение вмешательства оператора ведет к увеличению уровня автоматизации. Управление резанием позволяет управлять надежностью процесса.

Разработка и внедрение таких систем является актуальной проблемой. Она практически не решена в современном станкостроении. Существующие системы управления исполнительными механизмами захвачены управлением перемещения по заданным координатам, отслеживая в каждый момент времени точность перемещения. Контроль процесса резания требует разрешение на очередное микроперемещение, т.е. если от системы диагностики поступает «О» (инструмент работоспособный) на обслуживающий перемещения процессор, то микроперемещение осуществляется, если поступает «1» (инструмент неработоспособный), то микроперемещение с заданными характеристиками невозможно. Это требует дополнительного времени на анализ поступающей на процессор информации, а, следовательно, разработки более интеллектуальной быстродействующей системы управления.

Надежность процесса резания определяется и надежностью режущего инструмента. Надежность инструмента обеспечивается на стадиях проектирования, изготовления и назначения факторов его эксплуатации. При конструировании и назначении режимов работы концевых фрез, как и другого инструмента, должны учитываться экстремальные значения параметров резания, а именно температура и напряжение от силы резания.

Диагностирование режущего инструмента в процессе резания осуществляется в результате сравнения действительного значения параметра или параметров процесса резания с предельно допустимым значением, устанавливаемым субъектом управления.

С целью обеспечения более высокой надежности процесса обработки путем диагностирования состояния режущего инструмента по косвенному диагностическому признаку, необходимо назначать предельное значение параметра резания, имеющего наибольшую вероятность безотказной работы режущего инструмента.

Наибольшую вероятность безотказной работы режущего инструмента обеспечивает косвенный диагностический параметр, в наибольшей степени зависящий от критерия отказа или являющийся наиболее чувствительным к его изменению.

Таким образом, разработка принципов диагностирования состояния концевых быстрорежущих фрез при обработке конструкционных углеродистых материалов является актуальной задачей, стоящей перед теорией резания. Решение этой задачи может быть осуществлено посредством установления и описания причинно-следственных связей: параметров и факторов процесса, прямых и косвенных диагностических признаков.

Целью данной диссертационной работы является повышение надежности концевых быстрорежущих фрез при обработке конструкционных углеродистых сталей за счет диагностирования состояния инструмента по силовым диагностическим признакам. Достижение указанной цели в работе обеспечивается путем решения актуальной научной задачи, состоящей в выявлении косвенного диагностического признака наиболее чувствительного к изменению критерия отказа.

Для решения поставленной научной задачи необходимо:

- выявить критерий отказа при обработке конструкционных углеродистых сталей концевыми быстрорежущими фрезами на различных схемах обработки;

- выявить косвенные диагностические признаки возможных изменений в состоянии инструмента;

- описать взаимосвязь между факторами процесса, критериями отказа и диагностическими признаками;

- разработать методику для априорного выбора косвенного диагностического признака.

Решение поставленных задач осуществлялось на основе исследования условий эксплуатации концевых быстрорежущих фрез при обработке конструкционных углеродистых сталей на различных схемах фрезерования. Для выявления наиболее чувствительных диагностических признаков исследовались температура в режущем клине и силовые параметры, возникающие в процессе обработке.

При решении перечисленных задач получены следующие научные и практические результаты, которые выносятся на защиту.

Научная новизна работы:

- в значениях термических напряжений в режущем клине инструмента, возникающих во время рабочего и холостого ходов при фрезеровании сталей;

- в математических зависимостях, учитывающих влияние износа инструмента и режимов резания на составляющие силы резания при фрезеровании.

Практическая ценность работы заключается:

- в рекомендациях по выбору диагностических признаков в зависимости от режимов и схем фрезерования, позволяющих повысить надежность фрезерования сталей.

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» МГТУ «СТАНКИН», на Международных научно-технических конференциях «Качество машин-2001» в Брянске, «ПРОТЭК - 2002» в Москве, а также были удостоены серебряной медали третьего Московского Международного салона инноваций и инвестиций.

По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ. Автор выражает благодарность научному руководителю работы зав. кафедрой «Высокоэффективные технологии обработки» профессору, д.т.н. С.Н. Григорьеву, а также преподавателям и сотрудникам кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» за помощь, оказанную при выполнении работы.

Результаты исследования наростообразования на : фрезерования позволяют сделать вывод о том, что вектор силы резания приложен к середине активно; , • жущей кромки.

Исследования влияния изнашивания концевых бысг температуру методом «естественной термопары», i носитсльный прирост данного параметра колеблете : может быть использован в качестве диагностическое, ния инструмента.

Разработанный подход к изучению силовых параме нии, позволяет получить зависимости составляюн е-: износа инструмента.

Разработанная программа моделирования силовых г •; чивает выбор наиболее информативного диагносте' зависимости от условий эксплуатации инструмента. В зависимости от сочетания факторов и схем фре достижения предельного значения критерия отказа, fy, fv и fh приобретают относительный прирост обеспечивает возможность их использования в ка ских признаков. чных схемах ультирующий : и главной рееущих фрез на зают, что отделах 40% и ; fзнака состояi фрезеровали резания от

• I ров, обеспе-о признака в пия, а также е параметры чо 180%, что л иагностиче

Установленная высокая информативность силон:- гностических признаков, позволяет обеспечить надежную работу :ы диагностики состояния инструмента при фрезеровании.

1. Васильев В.Н., Васильев С.В. Гибкие производственные системы Японии. Экспресс информация. - М.: НИИ экономики, организации производства и тебхнико-экономической информации в энергетическом машиностроении, 1985, 46 с.

2. Палей С.М. Некоторые особенности эксплуатации токарных станков с ЧПУ на участке АСВ-20. В сб.: Автоматизированные участки из станков с ЧПУ, управляемые ЭВМ. - М.: ЭНИМЕ, 1981, с. 27-31.

3. Кочеровский Е.В., Лихциер Г.М. Диагностики состояния режущего инструмента по силовым характеристикам процесса резания. М., 1988 — 40 с.

4. Палей С.М. Диагностика режущего инструмента на станках с ЧПУ: -Учебное пособие. М.: Международная книга, 1998. 72 с.

5. Синопалъников В.А. Затупление быстрорежущего инструмента и способы повышения его работоспособности. В сб. Обработка конструкционных материалов резанием с применением СОЖ. М.: МД НТП им. Дзержинского, 1978, с 62 - 67.

6. Синопалъников В.А. Повышения надежности быстрорежущего инструмента. Станки и инструмент. 1983, № 7, с 23-24.

7. Кожевников Д.В. Сравнительные стойкостные испытания сверл, изготовленных на ТИЗ методами фрезерования и секторного проката. -Вильнюс, 1964

8. Старков В.К. Технологические методы повышения надежности обработки на станках с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1984, 120 с.

9. ГОСТ 27.002-83. Надежность в технике. Термины и определения.

10. Ю.Эстерзон М.А. Обеспечение технологической надежности обработкидеталей в ГПС. М.: ЭНИМС, 1988, 60 с.

11. Автоматический контроль износа инструмента по температуре резания. Технология, оборудование, организация и экономика машиностроительного производства: Экспресс информ. Режущие инструменты. -М.: ВНИИТЭМР, 1985, №2, с. 4-9.

12. Синопалъников В.А., Терешин М.В., Тимирязев В.А. Диагностирование износа инструмента // Станки и инструмент. 1986, №1, с. 27-29.

13. ХЪ.Палей С.М., Решетов Д.Н., Антонов А.В. Контроль состояния режущего инструмента по силе резания. — Станки и инструмент. 1992, № 2, с 31-33.

14. Comment controber lusure des ontils de coupell Maschine moderue, 1984, special. - P. 13-15

15. Кибалъченко А.В. Контроль состояния режущего инструмента. — М.: ВНИИТЭМР 1986, 44 с.1 б.Подураев В.Н., Барзов А.А., Горелов В.А. Технологическая диагностика резания методом акустической эмиссии. — М.: Машиностроение, 1988. -56 с.

16. Козочкин М.П. и др. Диагностика режущего инструмента на станках с ЧПУ по акустическому сигналу: Метод, рекомендации М.: ЭНИМЕ, 1984,44с.

17. Вальков В.М. Контроль в ГАП. JL: Машиностроение, ленинградское отделение 1986. - 232 с.

18. Измерение износа методом радиоактивных изотопов с использованием облученных резцов: Экспресс информ. Режущие инструменты. М.: ВНИИТЭМР, 1983, №20, с. 1-17.

19. Перепелкин B.C., Симкин Д.И. Исследование процессов наростообразо-вания и изнашивания инструмента при точении углеродистых сталей. Горький, 1981.-26 с. Деп. в ВНИИМАШе 3 апр. 1981, № 112.-е. 81.

20. Синопалъников В.А., Григорьев С.Н. Надежность и диагностика технологических систем. Учебник. М.: ИЦ МГТУ Станкин, Янус-К. 2003. -331с.

21. Хает Г.Л. Качество и надежность режущих инструментов. Надежность режущего инструмента. Сб. статей. Киев — Донецк: Виша школа. 1975. Вып. 2. с. 3-11.

22. Шор Я.Б., Кузьмин Ф.И. Таблица для анализа и контроля надежности.-М.: Советское радио, 1968.- 288 с.

23. Зорев Н.Н. Обработка стали твердосплавным инструментом в условиях прерывистого резания с большими сечениями среза. Вестник машиностроения. №2, 1963.

24. Гостев Г.В., Колюнов В.А., Гусев Е.В. Исследование закономерностей рассеивания стойкости торцевых и концевых фрез.// Физико-химические процессы резания материалов: Межвузовский сборник. Чебоксары. 1986. с. 75-77.

25. Справочник металлиста в 5-ти томах / под ред. Маслова А.Н. М.: Машиностроение, 1977.

26. Резников А.Н. Теплофизика резания. М.: Машиностроение, 1969.

27. Лимонов И.П., Хорольский В.М. Определение температурного поля отрезного резца. Вестник машиностроения. №11, 1963.

28. ЪЛ.Резников А.Н., Темников А.В., Лимонов И.П. Моделирование стационарных тепловых полей в клине с учетом зависимости теплопроводности от температуры. Вестник машиностроения. №11, 1963.

29. Резников А.Н., Новоселов Ю.А. Теплофизика цилиндрического фрезерования. М., ВНИИ, 1956.

30. Рыкалин Н.Н, Подзей А.В., Новиков Н.М., Логинов В.Е. Расчет и моделирование температурного поля в изделии при шлифовании и фрезеровании. Вестник машиностроения. №11, 1963.

31. Ъ1.Даен Э.Д. Измерение температуры в зоне резания и пути ее снижений. В сб. Обработка конструкционных материалов резанием с применением СОЖ. М.: МД НТП им. Дзержинского, 1978.

32. Зорев Н.Н. Исследования в области резания материалов в ФРГ. М.: Машгиз, 1960

33. Верещака А.С., Проворное М.В., Кузин В.В., Тимогцук Е.А. Исследование теплового состояния твердосплавного инструмента методом многопозиционных термоиндикаторных веществ, Вестник машиностроения. №1,1986.

34. Кремнев А.С., Синопалъников В.А. Изменение структуры и свойств в режущей части инструментов из быстрорежущих сталей в процессе непрерывного резания. Вестник машиностроения. №5, 1974.

35. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975,344 с.

36. Вульф A.M. Резание металлов. Изд. 2. Л.: Машиностроение, 1973, 496 с.

37. АЪ.Розенберг A.M. и др. Резание материалов и инструмент. М.: Машиностроение, 1964, 226 с.